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芯原股份距離芯片IP之王ARM還有多遠?

記者 | 曹立CL

編輯 | 陳菲遐

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“你認為整個半導體工業裡最好的工作是什麽?”,有記者曾問ARM公司CEO沃倫(Warren East)這樣一個問題,“Mine.(我的)”沃倫回答中帶著掩飾不住的驕傲。

沃倫確實有這樣的底氣。作為全球頂尖芯片IP設計公司ARM的CEO,他幾乎掌握著全球大多數芯片設計公司的命脈。

所謂芯片IP,是指芯片中預先設計、驗證好的功能模塊,芯片設計公司通過類似搭積木方式購買IP,實現某個特定功能,縮短芯片開發時間。高端芯片IP可謂“芯片之巔”,處於全球芯片產業鏈金字塔塔尖位置,其技術壁壘並不亞於光刻機。

在芯片IP市場上,ARM無疑是王者,有著40.9%的市佔率。在去年市佔率排名前十的公司中,僅有一家中國企業,芯原股份(688521.SH)市佔率為1.8%,排名第七。

上周,去年營收13.4億元、淨利潤虧損4200萬元的芯原股份科創板上市,成為A股第一隻芯片IP股。新股效應疊加概念題材,令芯原股份股價大漲,目前市值約為620億元。

芯原股份試圖創立屬於自己的生態圈,但在其邁向ARM的路上,至少擺著兩道大坎。

芯片IP三十年

如果把封閉架構的Intel比作“中央集權製”代表,那麽ARM創造的芯片IP模式則代表了“分封製”。ARM開啟了一個全新時代。

1990年,蘋果、Acorn和VLSI三家公司合資成立了ARM,蘋果最初投資的目的是保證其牛頓PDA產品芯片供應。然而,事與願違,牛頓PDA並未獲得成功。ARM被迫改變策略,不再直接銷售芯片,轉而將芯片設計方案以IP的形式授權給其他公司。

該模式是這樣運作的:半導體公司向ARM支付固定的授權費(License),獲得ARM的IP一次或多次使用權。在芯片量產銷售後,半導體公司還要向ARM支付按部門計價的版稅(Royalty)。

數據來源:EDA365

這樣的做法類似“分封”,ARM將一部分權力授予了“諸侯”也就是芯片設計公司。帶來的好處是,在後來的移動互聯網和物聯網時代,有越來越多碎片化應用場景,更適合“諸侯”來佔據。而“中央集權製”式的Intel無法一一觸達,ARM名正言順獲得了更大地盤。當然,“分封製“也有壞處, ARM營收規模上遠小於Intel。

1993年,ARM成功將芯片IP授權給德州儀器公司,獲得德州儀器的背書標誌著芯片IP這一商業模式得到了驗證。1997年11月,諾基亞發布了6110手機,這是首款內置遊戲的手機,其中貪吃蛇遊戲也被認為是有史以來第一款手機遊戲,該手機的芯片正是德州儀器基於ARM的處理器IP研發。

ARM的發展由此走上快車道,並於次年1998年上市。

ARM財報顯示,其收入分為授權費、版稅、開發系統、谘詢和服務支持培訓五類。2000年到2002年,授權費是最主要的收入來源,隨之而來的還有可觀的服務和谘詢收入。這段時間的ARM還處在拓展“朋友圈”階段,使其芯片IP能夠獲得更多芯片廠商的認可。

2003年,隨著3G在全球大規模商用,手機銷量爆發,ARM按芯片出貨量計算的版稅比例開始上升。

2007年,iPhone1發布,手機邁入智能機時代,智能機需要更快計算速度,iPhone1採用了ARM11處理器,ARM處理器IP的重要性進一步突顯。2008年,ARM版稅收入超過授權費,此後也維持這一態勢。全球幾乎所有智能手機處理器都採用ARM架構,ARM由此進入向全球芯片公司“收稅”的階段。

數據來源:SEC,界面新聞研究部

以ARM7這款芯片IP為例,可以看到完整的“收稅”機制。

2007年以後,ARM7授權的許可證數量基本沒有變化,ARM也早已停止了對這款芯片IP的支持。但截至2011年,使用該IP的芯片出貨量仍在快速增長,ARM也一直在收取相應版稅。

數據來源:ARM

從上圖可以看出,芯片IP公司收入具有後置特徵,版稅收入可能發生在授權芯片IP的多年之後。

這可能也是孫正義願意溢價43%收購ARM的原因之一。2016年,軟銀集團以217億英鎊將ARM私有化,根據2015年ARM淨利潤為3.39億英鎊計算,收購的靜態市盈率約為64倍。

私有化並退市並沒有影響ARM的行業地位。2019年,ARM依舊以40.9%的市佔率雄踞芯片IP市場第一位,緊隨其後的兩大EDA軟體公司分別是Synopsys(下稱新思科技)和Cadence(下稱鏗騰電子)。在這份排名中,芯原股份市佔率為1.8%,排名第七。

數據來源:IPnest芯原股份的艱難升級

芯原股份作為後發者,在沒有品牌背書、沒有生態情況下,能照搬ARM模式嗎?

芯原股份選擇了一種被其稱為SiPaas(芯片設計平台即服務)的模式。在這種模式下,公司除了半導體IP授權服務,還為客戶提供一站式芯片定制服務。

目前市場上芯片定制服務公司主要分為以下幾類,第一類是有晶圓廠作為股東,最初成立目的是為晶圓廠帶來業務,但客戶無法選擇晶圓廠。典型的如智原、創意電子;第二類是和EDA工具、與IP相捆綁,這類公司通過設計服務將其設計方法學、IP及EDA工具滲透到客戶具體項目中,從而間接促進 EDA工具銷售,典型的公司如新思科技、鏗騰電子;第三類是晶圓廠中立,根據不同的晶圓廠工藝特色和產能為客戶提供多樣化選擇和靈活服務,典型的如芯原股份。

三類模式誕生有其必然性。第一類公司與晶圓廠關係密切,在排產優先級和成本上都有優勢,但如果晶圓廠工藝節點落後,反過來會製約其發展。第二類公司主要業務是EDA工具和IP,利潤率極高,而服務利潤率相對較低,做服務只是為了配合主業,並非其發展重點。

芯原股份作為第三類存在,與其發展路徑有關。

芯原股份最初的業務是為中芯國際(688981.SH,0981.HK)提供標準單元庫。公司於2004年收購國內芯片設計服務提供商上海眾華,獲得了系統級芯片的研發設計能力,結合原有設計能力,開始推出從規格定義到芯片成品的一站式芯片定制服務。

這一模式源於芯原股份董事長戴偉民對行業的判斷,即芯片行業分工有不斷細化趨勢。

上世紀70年代起,美國將半導體系統裝配、封裝測試等利潤含量較低的環節轉移到日本等其他地區,由此促成了半導體產業的第一次分工細化。

20世紀80年代至90年代,中國台灣的台積電和聯電兩家晶圓廠誕生,推動全球半導體產業由IDM(集成器件製造)模式逐漸轉變為Fabless+晶圓代工模式,促成了半導體產業的第二次分工細化。

21世紀以來,芯片設計難度和成本快速提升,促使芯片設計產業進一步拆分出半導體IP廠商和輕設計廠商,形成目前還在進行中的第三次分工細化。

數據來源:招股書,界面新聞研究部

輕設計芯片廠商一般隻做擅長的核心部分。舉例來說,被蘋果收購的PrimeSense是家以色列視覺傳感器創業公司,該公司隻做了芯片中最核心的3D視覺算法部分,而將非核心部分交給芯原股份來定製,這樣可以加快芯片量產進度。除此之外,大型互聯網公司、系統廠商和成熟芯片公司也有類似定製需求。

從收入結構看,2019年芯原股份一站式芯片定製業務收入為9億元,佔比67.33%;芯片IP授權業務收入為4.37億元,佔比32.67%。

其中,一站式芯片定制服務可進一步分為芯片設計和芯片量產業務。芯片設計覆蓋交付給客戶芯片樣片前的環節,量產業務則是為芯片量產提供生產管理服務;芯片IP授權業務則分為授權使用費和特許權使用費(即版稅)。

數據來源:招股書,界面新聞研究部

2019年,芯原股份授權使用費同比增長60%,達到3.4億元,遠高於9470萬的特許權使用費,這和ARM早期情況類似,說明公司還處在快速拓展“朋友圈”階段,量產芯片相對有限。

從毛利率看,2019年公司一站式芯片定製業務毛利率僅為13.66%,而芯片IP授權業務毛利率高達94.78%。

數據來源:招股書,界面新聞研究部

芯原股份之所以願意做毛利率很低的一站式芯片定製業務,出於三點考慮。

一是和IP授權業務之間的協同效應。公司通過為客戶提供定製芯片服務,逐步取得客戶信任,促使客戶嘗試使用公司的芯片IP,希望客戶在使用公司芯片IP後轉而需要定制服務。

二是量產業務的潛在彈性。量產業務按交付芯片數量計價,生產工藝跑通後,公司幾乎不需要人員支持,毛利基本相當於淨利潤。

不過,由於公司量產業務芯片出貨量從2018年的96821片下滑至2019年的79123片,導致2019年量產業務毛利同比下滑24%,量產業務的彈性暫時還沒有顯現。

數據來源:招股書,界面新聞研究部

三是以較低的風險加強技術壁壘。隨著先進工藝節點不斷向7nm甚至5nm演進,芯片設計成本越來越高,7nm主流應用時期單顆芯片研發成本相比28nm上升了近5倍,隨之而來的是更高的研發風險,這種風險讓中小型甚至部分大型芯片設計公司望而卻步。不過,芯原股份卻能花客戶的錢,不斷提高技術團隊在先進工藝節點的設計能力。芯原股份不承擔芯片產品終端市場銷售風險及費用,不承擔庫存風險及費用,不承擔對終端用戶的技術支持。行業內三星EUV光刻機生產的首顆10nm芯片就是由芯原股份為礦機廠商億邦國際特別定製的。利用這種模式,芯原股份可以緊跟最先進工藝節點。目前公司已經在掌握7nm設計的基礎上建設5nm FinFET設計平台。

數據來源:招股書,界面新聞研究部

需要指出的是,芯原股份一站式定製芯片服務只是規避了芯片研發的經濟風險,但訴訟風險依然存在,億邦國際就以“晶圓質量缺陷”為由,將芯原股份告上法庭,索賠1.78億元,此案尚在審理之中。

研發不輟,虧損不停?

從以上分析中不難看出,芯原股份已經建立起了一定的技術壁壘。但距離其成為行業巨頭,依然困難重重。至少有兩道坎擺在面前。

持續大量研發投入帶來的虧損是芯原股份面臨的第一道坎。

在芯片IP行業,大多數公司研發費用佔營收比例在30%到40%這一區間,個別公司在某些年份甚至能達到70%。ARM由於規模效應,這一比例可以壓低至30%以下。

2016年到2019年,芯原股份研發費用佔營收比例在37%到30%之間波動,這一比例並不算高,但已經讓公司不堪重負。

數據來源:Wind,界面新聞研究部

2019年,芯原股份扣非後虧損1.01億元,公司當年研發費用4.25億元,佔收入比例為31.7%,在A股半導體公司中排名第二。

數據來源:Wind,界面新聞研究部

由於芯片設計類公司以研發人員為主,所以與研發費用相應的是公司員工數量。2019年底,芯原股份員工總數為936人,低於韋爾股份(603501.SH)、紫光國微(002049.SZ)和匯頂科技(603160.SH),排名芯片設計類公司第四。

然而,大量研發人員開支並沒有為公司換來高速增長,從2016年到2019年,芯原股份營收復合增速僅為16.7%。2019年人均創收為143萬元,遠低於A股半導體設計公司人均創收中位數234萬元。由此看,芯原股份研發轉化效率現階段偏低。

另一方面,芯原股份的投入似乎緊跟ARM步伐。ARM於2016年私有化退市,2017年開始ARM研發費用劇增,淨利潤直線下滑。

(數據來源:ARM,界面新聞研究部

行業龍頭如此“拚命”投入研發,這對所有同行都是壓力。

正如芯原股份招股書中所提示的風險:“為保持技術先進性,公司在未來仍需持續進行較高研發投入,如果公司經營的規模效應無法充分體現,則可能面臨在未來一定期間內無法盈利的風險。”

在盈利不確定情況下,芯原股份規模效應也就是營收增長速度何時能夠體現仍有待觀察。

芯原股份真正的野心

芯片IP行業生態是芯原股份面臨的第二道坎。

做成生態是芯片公司的最高境界,而生態恰恰是國產芯片的薄弱之處。其中,圍繞指令集形成的生態是最關鍵的。

指令集是計算機芯片的底層語言,是介於軟體和底層硬體之間的一套程序指令合集。世界現存的指令集有5種,分別是X86、ARM、POWER、MIPS和RISC-V。

其中ARM的生態最為強大。目前芯原股份大部分芯片IP也都是基於ARM指令集開發的,2019年芯原股份向ARM採購金額為300萬元。這使得芯原股份和ARM之間關係頗為微妙,既有競爭也有合作。

但形勢已在悄悄發生變化。芯原股份招股書中稱,“目前我國絕大部分的芯片都建立在國外公司的 IP 授權或架構授權基礎上。核心技術和知識產權的受製於人存在著較大的技術風險。由於這些芯片底層技術不被國內企業掌握,因此在安全問題上得不到根本保障。IP和芯片底層架構國產化是解決上述困境的有效途徑,市場對國產芯片的“自主、安全、可控”的迫切需求為本土半導體IP供應商提供了發展空間。公司目前已獲得國家集成電路基金、浦東新興、張江火炬三家國有資本的入股。”

當前,ARM的指令集架構生態不乏破局者,新近崛起的開源RISC-V架構就是其中之一。相比ARM長達數千頁架構文檔,RISC-V僅有兩百多頁,精簡靈活其最大特徵。

2018年7月,上海經信委發布了RISC-V相關的扶持政策。同年10月,中國RISC-V產業聯盟成立,戴偉民任產業聯盟理事長。2019年,芯原股份還投資了國內一家初創的RISC-V處理器芯片芯來科技。

不過,對於RISC-V的前景,業內人士普遍認為,RISC-V只是多一種選擇,目前在生態上和ARM差距還很大。

芯片IP下遊的應用端生態也是芯原股份看重的。

松山湖科技產業園區,地處中國消費電子重鎮東莞市。2011年以來,戴偉民每年都會來到這裡參加松山湖中國IC創新高峰論壇,作為唯一協辦方和論壇主持人,他每次都會介紹8到9款國內芯片設計公司的產品,為芯片和應用之間搭建橋梁。

匯頂科技(603160.SH)、兆易創新(603986.SH)、瑞芯微(603893.SH)和全志科技(300458.SZ)等芯片設計公司的產品都在松山湖展示過,當時這些公司還不像現在這麽知名。

數據來源:信達證券,界面新聞研究部

一位芯片業內人士告訴界面新聞,“不管是芯原股份還是投資者,其實可以通過這個活動尋找一些早期芯片投資項目,芯原股份當時沒有利用這個契機開展投資業務是有些可惜的。”

事實上,通過服務延伸到投資的商業模式,在創新藥的CRO(合約研究組織)外包領域已有先例,藥明康德和泰格醫藥等公司都有龐大的投資業務。

芯原股份過去很少有對外投資,這也是其生態中亟待補上的一環。

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